Ab die Post! – So funktioniert eine Rutsche

Der Spielplatz ist ein Ort, an dem viele schöne Erinnerungen entstehen. Besonders die Rutsche dort lässt nicht nur Kinderherzen höherschlagen. Aber was passiert beim Rutschen und was ist die Physik dahinter?

Die warme Julisonne scheint vom Himmel. Hinter einer großen Wiese erhebt sich ein Schiff in einem Meer aus Sand. Es ist der Spielplatz am Rosensee in Aschaffenburg. „Ich bin zuerst da, wetten?“ Der elfjährige Neven L. sprintet los, dicht gefolgt von seiner Schwester, der achtjährigen Selina. Begeistert stürmen die beiden Leichtmatrosen das Spielplatzschiff. Nach einer kurzen Rangelei sichert sich Neven das Recht, als Erster die große, stählerne Rutsche hinunter zu sausen. Unten angekommen, wartet er kurz auf seine Schwester. „Wer war schneller? Neven oder ich?“, erkundigt sich Selina. Doch ohne Stoppuhr lässt sich keine Aussage darüber treffen, wer gewonnen hat.

Dabei stellen sich noch viele andere Fragen zur Physik einer Rutsche: Rutscht jemand mit höherem Gewicht schneller als eine leichte Person? Welchen Einfluss hat das Material der Kleidung beim Rutschen? Und wird die Rutsche warm, wenn man darüber rutscht?

„Eines nach dem anderen“, sagt Physiker Stefan Reiß. Zuerst müssten ein paar Annahmen über das gegebene Spielgerät getroffen werden: „Die Rutsche lässt sich grob mit einer schiefen Ebene annähern, mit der wir weitere Berechnungen durchführen können.“ Dafür eigne sich ein besonders langer, gerader Abschnitt entlang der Rutsche. Als nächstes vermisst der 55-Jährige die Strecke. Die Bahn hat einen Winkel von etwa 50 Grad und die Messstrecke ist 1,60 Meter lang. „Die Werte sind natürlich nicht besonders genau. Wir können nicht wirklich sichergehen, dass unser Dreieck für die schiefe Ebene wirklich rechtwinklig ist. Durch den Sand ist der Boden nicht überall gleichmäßig“, erklärt Reiß. Dafür kann der Physiker aber ausschließen, dass der Luftwiderstand eine Rolle spielt. Die Geschwindigkeiten der Kinder seien dafür zu niedrig und die Länge der Rutsche zu kurz.

Die Bestimmung der Gleitreibungszahl

Neven rutscht hinunter, während Reiß die Länge der Messstrecke testweise abschätzt.
Foto: Anne-Sophie Reiß

Mit der Stoppuhr und einem festgelegten Streckenabschnitt zum Stoppen geht es weiter. „Und LOS!“, ruft Selina und lässt den Handlauf der Rutsche los. Die Stoppuhr läuft. Mit wehenden Haaren gleitet sie hinab und landet grinsend unten im Sand: „Das war schnell!“

Die Kinder rutschen je zehnmal und stoppen jede Partie. Im Schnitt braucht Neven 0,7 Sekunden und Selina 0,83 Sekunden. „Dieser Unterschied ist nicht groß“, meint Reiß. Außerdem kann der Experte mit einer kurzen Rechnung zeigen, dass sich die Masse des Rutschenden bei der Ermittlung der Rutschgeschwindigkeit herauskürzt und somit theoretisch irrelevant für das Tempo der Kinder ist. Dennoch sind die Kinder schneller, als Reiß nach seinen Berechnungen erwartet hat. Dies führt er auf die große Ungenauigkeit beim Stoppen der Zeit zurück. „Der nächste Faktor, der die Rutschgeschwindigkeit beeinflusst, ist möglicherweise das Material der Hose“, erklärt der Physiker. „Mit den Werten, die wir haben, lässt sich in etwa die Gleitreibungszahl der Hosen beider Kinder bestimmen.“ Diese beträgt 0,13 für Neven und 0,42 für Selina. Die deutlich niedrigere Gleitreibungszahl von Nevens Hose lässt den Jungen schneller rutschen als seine Schwester. Nach Coulomb ist die Reibung geschwindigkeitsunabhängig und somit immer gleich, egal wie schnell die Kinder über die Rutsche fegen. Da die Kinder im Sitzen und ohne Schwung losrutschen, ist die Anfangsgeschwindigkeit beim Rutschen gleich Null.

Und die Temperatur?

Selina rutscht nicht so schnell wie ihr Bruder. Foto: Anne-Sophie Reiß

Währenddessen knallt die Sonne erbarmungslos vom Himmel. Neven klettert geschickt an einer der Seitenwände des Spielplatzschiffs hinauf. „Es ist ganz schön heiß geworden!“, ruft er vom Heck. „Ja, die Rutsche auch!“, bestätigt Selina am Fuß der Bahn und schlüpft aus ihrer Jacke. Aber kommt das von der regen Benutzung des Spielgeräts?

„Um den Temperaturanstieg der Rutsche zu berechnen, müssen wir wissen, welche Wärmemenge durch die Reibung entsteht“, erklärt Reiß. Diese Wärmemenge sei aufgrund der Energieerhaltung die Differenz zwischen der potentiellen Energie des Kindes am Anfang und der kinetischen Energie am Ende. Danach berechnet der Physiker die Rutschgeschwindigkeiten der Kinder. Mit 4,3 Metern pro Sekunde ist Neven deutlich schneller als seine Schwester mit einer Geschwindigkeit von drei Metern pro Sekunde. Zur Vereinfachung nimmt Reiß an, dass sich nur die Rutsche erwärmt. Als nächstes benötigt der Physiker die Masse der Edelstahlrutsche. Der betrachtete Streckenabschnitt wiegt in etwa 19 Kilogramm. Mithilfe der spezifischen Wärmekapazität von Stahl lässt sich nun die Temperaturdifferenz berechnen. Das Ergebnis ist ernüchternd: Nach Nevens Rutschpartie hat sich der Bereich um ca. 0,009 Grad erwärmt, bei Selina um 0,02 Grad. „Das ist fast nichts“, meint Reiß. Die Rutsche hat sich einfach nur in der Sonne erwärmt.

Inzwischen ist es fast Mittag und die Fragen der Geschwister sind beantwortet. Die Sonne brennt auf der Haut und alle machen sich auf den Heimweg. Die beiden Kinder sind hungrig und voller Sand. Für heute hat Neven das Rennen gewonnen. Aber das ist nicht mehr wichtig. Die beiden Geschwister haben schon eine neue Herausforderung gefunden: „Ich bin zuerst wieder zuhause!“, ruft Neven. „Warte!“, antwortet Selina erschrocken und schon jagen die beiden Kinder über die grüne Wiese Richtung Wohnviertel.

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